理論證實可降低量子計算機速度限制

重大發現，量子計算機在長距離傳輸上存在速度極限，不再是通常人們認為的利用量子糾纏可以無限制地實現長距離信息快速傳遞。

        

       現今，量子計算 開始逐步展現出未來將如何在特定復雜問題上超越普通計算機。但一項新的研究降低了未來量子計算機的理論限速。

        

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 如果有一天，我們可以像制造硅基計算機一樣輕易制造量子計算機，我們對理論極限的研究將告訴我們理想的量子計算機是什麼樣的結構。

——邁克爾·福斯·馮

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量子計算機系統利用量子比特（一種二能級系統，同一位置可以同時代表1和0兩種狀態）來處理特殊計算時，其速度將遠超傳統計算機。這一系統還可以利用量子糾纏這一物理現象。在量子糾纏態下，一個單一的量子比特的狀態和其他的量子比特存在量子關聯，信息可以共享。美國標准與技術研究院（NIST）的計算顯示出新的速度極限，這將限定遠距離量子比特可以多快地響應量子糾纏。

       「以前的計算結果表明遠距離下量子糾纏在系統內的傳遞時間極小，這為遠距離極速傳遞信息提供了可能，」 邁克爾·福斯·馮是NIST馬裡蘭州蓋瑟斯堡分所的物理學家，他指出：「而我們的結果對給定距離系統傳遞信息和量子糾纏所需的時間提供了一個更嚴的約束。」

       福斯·馮作為NIST發表在《Physical Review Letters 》四月13號刊上的論文的第一作者，帶領他的同事們基於之前的兩篇關於檢驗量子信息傳播速度極限的文章做進一步研究。第一篇文章發表於1972年，首次發現考慮臨近量子比特的近距離影響，量子信息的傳播有速度極限，即所謂的Lieb-Robinson限制。

      第二個研究發表於2005年，表明傳播時間與距離成對數級關系或者關系不大。換句話說，這個結果顯示量子計算機利用量子比特的相互作用，遠距離信息傳播的速度將得到質的提升。

       但近期NIST指出，量子信息遠距離傳播存在速度極限。數學計算證明，信息傳播的時間隨系統大小幾乎呈指數增長，使得遠距和近距傳播的速度極限更加接近。福斯·馮解釋道：

        「我們的貢獻主要是我們注意到了2005年那篇文章中列舉的限制從本質上來說不夠嚴格。那些限制表明量子信息可以以超過理論極限的速度傳播。所以我們進一步精確了限制，並把它推向短距離量子比特相互作用。我們假定，在大多數的情況下，可以將短距離傳播的限定用於長距離傳播。而我們確實在這條路上走出了一小步。」

        如今的量子計算機系統利用臨近量子比特的糾纏已幫助人們確定了短距作用的速度極限。例如，谷歌的研究人員正在對臨近量子比特的糾纏作用進行相關測試。

        NIST研究小組希望在未來他們能進一步精確關於速度極限的計算。但需要留意的是，他們的計算基於的假設是長距量子糾纏作用以一確定的速度衰退。若是量子糾纏反應並不是一直衰減的，理論上，量子比特就可以將信息傳遞到很遠的地方。

        福斯·馮認為所有關於速度極限的理論討論都不會澆滅人們量子計算機的熱情。現在制作實際的量子計算機真正的挑戰來自其他方面，如：提高量子比特保持在量子態的時間；減少錯誤次數。

      「如果有一天，我們可以像制造硅基計算機一樣輕易制造量子計算機，我們對理論極限的研究將告訴我們理想的量子計算機是什麼樣的結構，」福斯·馮說，「但對我們現在研究的量子計算機系統沒有任何嚴重的約束。」

為什麼宇宙幾乎是平坦的?

由於空間的三維性，這個問題的答案可能性極多，但只有一個與我們的所見相符。

「不要忘記過去。是它造就了你的今天，並在影響你的未來。」

——Ziad K. Abdelnour

宇宙的形狀受限於它誕生時的條件。它的每一部分，每一次變遷，每一次互動，最終造就了我們今天所見的宇宙。但是確切地說，宇宙的形狀究竟是什麼樣子的呢？

讓我們把一個維度拿掉，先來想像一下如果宇宙存在於二維表面上，會是什麼樣子。當我們提到二維表面時，通常會聯想到平面，比如一張紙。我們可以把它卷成一個圓柱體，把它的兩端連接起來——我們可以從一側離開，並進入另一側。但是即便如此，它仍然是一個平坦的表面。

為什麼？我們可以在上面畫一個三角形，並把所有內角的度數相加，如果剛好是180度，那麼它就是一個平坦的表面。我們也可以在上面畫兩條平行的直線，如果它是平坦的，那麼這兩條線無論多長都不會相交。

但「平坦」並不是表面曲率的唯一可能。

球體表面也是二維的，但它卻並不是平坦的。假如朝向一個方向，球體表面的任何一點都會向兩個方向彎曲，如果方向與之前垂直，那它也會朝兩個方向彎曲。如果把它表面的三角形內角度數相加，得到的結果是大於180度的。如果在它表面畫一對平行線（或者說，一對起初是平行的線），那麼它們最終會相遇，並在兩個點上相交。就像地球上的經線一樣。（緯線並不是真正的直線，只有赤道除外。）這類表面名為「正曲率」表面。

「馬鞍形」則是另一種不平坦的二維表面。它在一個方向上向下彎曲（騎馬時腿的位置），而在垂直的方向上向上彎曲（沿著馬的脊背方向），這樣的表面名為「負曲率」表面。如果在它表面畫一個三角形，它的內角相加將小於180度。如果在它表面畫平行線，那麼它們在兩個方向上都會分岔，並且彼此間會越來越遠。

我們也可以用一張環形的紙來作形象的演示。假如我們剪掉這張環形紙的一段，並把兩端重新粘起來，就會得到一個正曲率表面。假如我們從另一張環形紙上剪下一段，並把它插入這個圓環中，產生的就是一個負曲率表面。就像上圖那樣。

但這只是兩個維度，用我們的三維視角來演示比較容易。宇宙有三個維度，它要復雜得多。

宇宙的曲率也存在三種主要可能性：

· 正曲率，如擁有更高維度的球體，

· 負曲率，如擁有更高維度的馬鞍，

· 零曲率（平坦的），如三維的網格。

我們可能會以為，宇宙大爆炸會產生一個「球體」。因為非常明顯，宇宙的所有方向看起來都是相同的，但這是一個題外話。宇宙各方相同有其非常特別的原因，卻和宇宙的曲率無關。

宇宙的所有地方（同質性）和所有方向（同向性）看起來都相同，是宇宙大爆炸理論的重要依據。大爆炸理論認為整個宇宙，我們所見的一切，都起源於一個熾熱、致密而統一的狀態，在那裡，各處的定律和初始條件都是相同的。

隨著時間的推移，宇宙中出現了微小的不完美，開始失去統一性，由此產生了宇宙的結構：恆星、星系、星系團，以及同時形成的巨大宇宙空洞。宇宙各個方向和區域看起來相同的原因是因為宇宙有一個統一的起源，而不是指它的曲率。

不過有一種方法可以測量宇宙的曲率。

如果我們觀察宇宙微波背景圖中的微小起伏就可以發現，這些起伏在非常特別的角尺度上，有它們的「峰值」點，也就是它們溫度最高的熱點，或溫度最低的冷點。如果我們宇宙的曲率是負的（馬鞍形），那麼這些尺度就會偏小。如果宇宙的曲率是正的（球形），那麼這些尺度就會偏大。

作此推論的原理，與之前提到的直線在三種表面的彎曲是相同的。它在二維上適用，在三維上同樣也適用。

所以，我們只需觀察宇宙微波背景中的起伏，便可直接測量可觀測宇宙的曲率。

觀測結果表明，宇宙的曲率，如上圖藍圈內所示，最高大約是0.5%，這是一個相當可信的結果。這意味著，宇宙幾乎是平坦的。

是的，宇宙在各個方向上的膨脹是均勻的，但它的平坦程度卻與此無關。當然，如果在極大的尺度上，在遠遠大於我們所能觀察到的尺度上，宇宙仍然可能有較大的曲率。因為導致宇宙大爆炸的暴脹，會拉伸宇宙的所有區域，與其最初體積相比，這種呈指數級的暴脹會使宇宙大得難以想像。

因此，宇宙的曲率既可能是正的，也可能是負的，既可能是球形的，也可能是馬鞍形的，或在某種意義上它是多種曲率「相連」的，我們可以從一種曲率進入另一種。我們無法確知，但我們可以根據觀測結果作一些推論。根據我們所見，宇宙幾乎是平坦的。正如你在上圖右下角看到的那樣，這個結論是指我們所在的這個「空間」是平坦的，而整個宇宙可能並不是。我們只能根據有限的信息得出結論。